II U II I SCI Shrnutí předchozí lekce • EBSD: sklon vzorku 70° • v každém bodě skenování je vyhodnocen obrazec Kikuchiho linií • Kikuchiho linie jsou analyzovány pomocí Houghovy transformace-určení kryst. rovin • EBSD mapy-strukturní informace, orientace zrn pomocí Eulerových úhlů • EDX,WDX • vznik charakteristického RTG záření • EDX detektor-princip (obráceně polarizovaná PIN dioda, Sí(Li), chlazení) • WDX detektor-princip (monokrystalový detektor, Braggova podmínka) • srovnání EDX/WDX • metody vyhodnocení: ZAF, O, ALCHEMI • FIB: zdroje iontů Ga, plazmový zdroj Xe iontů, srovnání s elektrony • příprava lamelek pro TEM • FIB-SEM tomografie • EREM: při vysokých tlacích (až 3000Pa) • výhody: lze pozorovat biologické materiály, silně těkavé vzorky, bez nabíjecích artefaktů na povrchu • nevýhody: rozptyl e. primárního svazku=> vetší svazek, vyšší šum, horší rozlišení II U II I SCI ln-situ elektronová mikroskopie %\\ %%%%%% 4. *, -fe, i i i pro poznání vlastností materiálů je vhodné znát nejen počáteční a konečný stav, ale i možnost sledovat změny přímo využívá se pro sledování odezvy vzorku na podnět v reálném čase elektronový mikroskop musí snímat dostatečně rychle EM je nutno doplnit o dodatečné moduly tj. držák vzorků schopný aplikovat vnější podněty ohřev / chlazení elektrické napětí mechanické namáhání reaktivní prostředí (kapalinové nebo plynové reakční články) ozařování vzorků fotony využívá se automatické vyhodnocování výsledků II U II I SCI Reakční držáky vzorků Držáky se změnou teploty Ohřev vzorku • většina držáků TEM pro ohřev vzorků má válcovou miniaturní pec (topnou spirálu), na (ve) které je umístěn vzorek o průměru 3 mm • okolí pece je chlazeno vodou - minimalizace sálání tepla do prostoru mikroskopu, omezení driftu vzorku (speciálně pro teploty nad 800°C) r—- II U II I SCI Peltierův článek funguje na prinicpu tzv. Peltierova jevu: když prochází proud obvodem se dvěma rozdílnými vodiči zapojenými v sérii (bismut a tellur, polovodiče), jejich spojené konce se ochlazují a jejich opačné konce zahřívají Maximální chladicí výkon se pohybuje od desetiny wattu až po stovky wattů. Maximální rozdíl teplot může dosahovat 60 až 75 °C lze zapojit i obráceně: změnou teplot lze generovat proud absoibovnne replo Výhody: Malé rozměry Okamžitý efekt chlazení/topení Dosažení nízkých teplot až -20 °C Snadná regulace výkonu Absolutně tichý provoz (žádné pohyblivé části) Dlouhá životnost (teoreticky neomezená) Možnost usměrnit chlazení na velmi malou plochu (lze chladit i 10x10 mm preparát na podložním sklíčku mikroskopu) Snadná změna směru toku tepla (změna studené a teplé strany článku) - pouze změnou směru elektrického proudu Nevýhody: Přehřívání Velká spotřeba proudu Vyšší cena v případě potřeby velkého chladicího výkonu Malý rozdíl teplot mezi studenou a teplou stranou článku Nižší účinnost v porovnání s kompresorovým chlazením II U II I SCI Reakční držáky vzorků Gas cell EM • konvenční TEM pracuje za podmínek vysokého vakua • pro získání informací o chování materiál v reálném prostředí je vhodné studovat vzorky i v odlišné atmosféře • existují dvě základní platformy • konfigurace s otevřenými buňkami-omezuje plynnou atmosféru v blízkosti vzorku pomocí tlaku. Otvory omezující tlak jsou umístěny v čočce objektivu v těsné blízkosti vzorku a diferenciální čerpací systém je vybaven tak, aby se zabránilo difúzi molekul plynu z komory směrem k jiným částem TEM, zejména k elektronovému dělu. • uzavřené plynové/kapalinové komůrky - uzavření vzorku a vysokotlakého plynu do malého prostoru • reakční objem a vzorek jsou ohraničeny elektronově průhledným horním a dolním oknem, které umožňuje zavedení a utěsnění plynné atmosféry • vhodné zejména pro: (de)hydrogeační procesy interakce mezi pevnou a plynnou fází, potlačení odpařování vzorku, oxidace a redukce kovů, růst nanostruktur oxidů kovů, reakce s ionizovaným plynem. Leptání nanočástic PbSe https://www.youtube.com/watch?v=7sX7B0RSDWw&ab_channel=ScienceX%3APhys.org%2CM edicalXpress%2CTechXplore Kombinovaný držák TEM vzorků https://www.youtube.com/watch?v=QWtM8zpCUuO&ab_channel=Protochips II U II I SCI Reakční držáky vzorků Liquid cell EM • reakce probíhá v kapalném prostředí • LC se typicky skládá ze dvou membrán které zapouzdřují vzorek v kapalném prostředí • lze využít pro pozorování v SEM (A), TEM (B), STEM (C) • materiál membrány musí být vhodně zvolený průhlednost pro elektrony homogenita tloušťky stabilita ve vysokém vakuu bez nabíjecích efektů omezení ohřevu při interakci s elektrony např: Si3N4 o d=10-50 nm, (D) vícevrstvý grafen nebo oxid grafenu d<10nm (E) Vacuum (KrMO-4 Pa) Mechanical support / Sample Incident electron beam SEM Backscattered electrons Vacuum (lO-'-lO-'Pa) }(l Liquid cell internal pressure 10s Pa) Aqueous medium \ Mechanical support Vacuum (io-s-irj-8 Pa) Incident electron beam STEM Aqueous medium Leptání nanočástic PbSe v k https://www.youtubexom/watch?v=7sX7B0RSDWw&ab_channel=ScienceX%3APhys.org%2CM edicalXpress%2CTechXplore Kombinovaný držák TEM vzorků https://www.youtube.com/watch?v=zoSWBStFBrY&ab_channel=Protochips II U II I SCI Mechanické namáhání • v prostoru komory je umístěno zařízení pro studium mechanického namáhání vzorků • zóna změny geometrie vzorku je snímána pomocí EM • s využitím EBSD je možné určit vliv namáhání na zrna o různé orientaci • zařízení může být doplněno o ohřev vzorku • možné zkoušky: • tahové zkoušky (viz videa od T. Krumla) • Cyklické zkoušky (tah - tlak) • deformační zkouška kroucením • Nanoindentace - in-situ měření tvrdosti • M i kro ko prese pilířků - tlaková zkouška plochým hrotem Tahová zkouška-animace https://www.youtubexom/watch?v=qCMGoktXSF4&ab_channel=ZEISSMicroscopy Particle compression https://www.youtubexom/watch?v=mBa7iNbhjPM&ab_channel=MingwenBai II U II I SCI Příprava biologických vzorků • biologické vzorky obsahují vodu - problém se stabilitou ve vakuu • pro vysokovakuové SEM suché • pro nízkovakuové-do 70 % vody • pro environmentálni-zavodněné • stabilita při ozáření primárními elektrony • dostatečná produkce detekovaných signálů • zastavení změn souvisejících s posmrtným rozkladem po odebrání vzorku II U II I SCI Příprava biologických vzorků a) Tradiční příprava preparátu: 1. fixace: glyceraldehyd, formaldehyd, Os04 2. dehydratace: aceton, ethanol 3. sušení: CPD(critical point drying), t-butanol, sušení na vzduchu 4. lepení na terče 5. zvýšení povrchové vodivosti (pokovení Pt, Au) • zvyšuje produkci SE a BSE • snižuje tepelné poškození a nabíjení povrchu vzorku II U II I SCI Příprava biologických vzorků b) vitrifikace-transfomace látky na sklo krystalický led: nižší hustotu a větší objem než kapalná voda vitrifikovaný led: zhruba stejnou hustotu i objem jako voda bez segregace rozpouštědla a rozpuštěných látek Způsob přípravy vitrifikovaného ledu: 1) rychlým zamrazením (>5*105) 2) mrazení při vysokém tlaku 3) použití kryoprotektantu během mrazení Chladivo: kapalný dusík: bod varu -196°C, bod tuhnutí -210°C nízká teplotní kapacita, chlazený materiál je obklopen vrstvou plynného N2=izolátor kapalný etan: bod varu -88°C, bod tuhnutí -182°C vysoká teplotní kapacita II U II I SCI Kryoelektronová mikroskopie (cryo-EM) Kryoelektronová mikroskopie • využívá se především v biochemii a biologii • umožňuje studovat struktury buněk, virů atd. téměř v atomovém rozlišení • bývá spojena s vytvářením 3D modelů • celá komora se vzorkem musí být neustále chlazená kapalným dusíkem, aby nedošlo ke ztrátě vitrifikovaného ledu https://www.youtubexom/watch?v=6G550DfY75Q&ab_channel=MRCLaboratoryofMolecularBiology https://www.youtubexom/watch?v=L-65mpdKLzQ EM sítka Čtverec v sítce Díra v uhlíkovém filmu ■3 mm- H-60 (jim-í| Pricny rez dírou v C filmu Led preklenujici diru ■ 1 p.m-i\ Zachycené častíce |í-1 jim-H rekonstrukce biolgických vzorků Sample preparation duration: ~5 days Volume SEM acquisition Image processing/analysis stitching and alignment visualization, annotation, and analysis MUNI SCI Porovnání metod přípravy vzorků Distribuce velikosti hlavičky spermie jesetera v závislosti na metodě přípravy preparátu a) CPD drying b) t-butylalkohol c) ESEM d) cryo-SEM Pšenička et.al.: Micron, 41 (5), 2010 II U II I SCI Elektronová litografie • technika umožňující zápis elektronovým svazkem • svazek lze vychylovat a) v pravidelném rastru (rastrový zápis) b) na libovolnou pozici vychylovacího pole (vektorový zápis) • využívá se netermické (tzn. nic se nevypaluje) interakce svazku energetických (urychlených) elektronů s vrstvou vhodné látky -tzv. elektronového rezistu • elektronový rezist: obvykle makromolekulami látka senzitivní na elmag. záření-působením energie PE dochází k chemické změně polymeru (síťování-negativní rezist) nebo k degradaci (pozitivní rezist) • Při průchodu elektronů vrstvou rezistu dochází k elastickým a neelastickým kolizím elektronů s molekulami případně atomy rezistu a při těchto interakcích předávají elektrony svoji energii ozařovanému materiálu • V elektronovém rezistu tak vzniká latentní obraz, který je nutné nějakým způsobem následně vyvolat 14 II U II I SCI Elektronová litografie-postup https://www.youtubexom/watch?v=yt6yf^ II U II I SCI BS 600, parametry Urychlovací napětí: 15 kV Tvarovaný svazek: 0.1 - 6 um (po 100 nm) Proudová hustota ve svazku: 0.5 - 1 A/cm2 Krok vychylování svazku: 100 nm Max. velikost vychylování: 3 mm x 3 mm Krok interferometrů: 40nm (lambda/16) Krok korekcí: 100 nm Mezní rozlišení: 100 nm Strategie zápisu (expozice): vektorové vychylování pravoúhle tvarová svazku proměnných rozměrů Maximální velikost substrátů: 4x4 inch2 něho horní clona elektrody vychylování dolní clona f J pravouhlý tvar svazku II U II I SCI Příprava vzorků SEM - metalografie • odběr charakteristické místo bez ovlivnění materiálu • preparace zalisování za tepla - pozor na ovlivnění struktury teplem zalití za studena • broušení od nejhrubšího papíru po nejjemnější brousí se převážně pod vodou - chlazení a odvod třísek minimální čas, minimální tlak • leštění diamantové suspenze s použitím smáčedla (nejčastěji etanol) případně Al203 nebo Si02 suspenze; elektrolyticky • pozorování metalografického vzorku po leštění - inkluze, porozita, koroze, trhliny,.... po leptání - strukturní detaily odběr vzorku preparace e pozorovaní leptáni broušeni n i le.štčni 17 II U II I SCI Příprava vzorků SEM - odběr * metalografická pila • určená k manuálnímu i automatickému přesnému dělení velmi malých i větších vzorků • stolek pohyblivý v obou osách • předdefinované programy - poloha stolu, počet řezů, úroveň citlivosti snímání řezného odporu apod • krokový i diagonální řez - přičemž dělící síla je závislá na rychlosti posuvu • umožňuje také automatické pulzní dělení materiálu II U II I SCI Příprava vzorků SEM - preparace automatický metalografický lis • vzorek se vloží na píst do lisovací komory • po spuštění pístu do spodní polohu se vzorek zasype práškovou lisovací hmotou (vodivá nebo nevodivá-pryskyřice dopovaní mědí nebo grafitem) • hmotu se vzorkem lisujeme při dané teplotě a tlaku-pozor na možné poškození vzorku (lisovací teplota je až 200 °C) zamykaní komory chambre locking ovládací panel " control panel zapnout switch on • zalévání za studena • vzorek se vloží na dno zalévací formičky • zalije se obvykle vícesložkovou zalévací směsí (pryskyřice) • po ztuhnutí vyjmeme z formičky 19 II U II I SCI Příprava vzorků SEM - broušení * metalografická bruska • manuální, semiautomatická, automatická • malé vzorky je potřeba mít uchycené v pryskyřici nebo v čelistech • brousí se za mokra (voda nebo Et-OH, isopropanol atd..) • postupně na brusných papírech s klesající zrnitostí (označené číslem - počet zrn na cm2 => čím větší, tím jemnější papír, do 1500-2000) s minimálním přítlakem • brousí se pouze nezbytnou dobu - kdy už není možné rozeznat rýhy z předchozího broušení 1. přívod vody II U II I SCI Příprava vzorků SEM - leštění metalografická bruska • k leštění se nanáší leštící suspenze na nosné leštící plátno nebo leštící kotouč • leští se též za mokra, ale plátno se jen kropí-nesmí být mokré • diamantová pasta: velikost částic 1 |im • suspenze OP-S ( • dochází i k naleptání hranic zrn vibrační leštění • k jemnému doleštění vzroků, které se nepovedlo vyleštit standardním postupem • vzorky se položí na vibrační desku na které je ca. 3mm vrstva leštícího média • pomocí jemných vibrací dochází k vyrovnání povrchu vzorku • nevýhoda: je to pomalá metoda-leští se jednotky hodin II U II I SCI Příprava vzorků SEM - leptání základní metody 1. na hranice zrn: leptání vzorku dochází primárně na hranicích zrn-tím se zvýrazní jednotlivá zrna 2. plošné leptání: pro barevné rozlišení zrn různé orientace 3. selektivní leptání: rozlišení zrn různých fází (rozdílná reaktivita) zpravidla ve směsi kyselin / zásad leptají se z pravidla čerstvě vyleštěné vzorky vhodná leptadla a způsob aplikace (ponoření, potírání, opakované leptání -doleptávání, použití více leptadel, teplota,...) jsou specifické pro různé materiály-lze dohledat v literatuře časy uvedené při leptání jsou pouze orientační - každý vzorek může (díky odlišnému lokálnímu chemickému složení, procesu výroby,...) reagovat odlišně někdy je možné / doporučené vícenásobné leptání - opakovaně v jednom leptadle, nebo v různých leptadlech II U II I SCI Příprava vzorků SEM - pozorování výsledky jednotlivých kroků lze sledovat pomocí metalografického optického mikroskopu umožňuje pozorování v odraženém světle s aplikací polarizačního filtru obvykle vybaven možností připojit kameru/fotoaparát MUNI SCI Aktuälnf modely-Tescan b'tescan II U II I SCI Aktuální modely-Thermo Fisher scientific Thermo Fisher SCIENTIFIC SEM • AXIA-simultánní EDS SEM analýza • Verios-při nízkém napětí (20eV-30 keV) • Quattro-FEG SEM, ESEM, in-situ • Prisma- ESEM, in-situ • Apreo-při nízkém napětí (20eV-30 keV) • VolumeScope-3D SEM with diamond knife Desktop SEM • Phenom-řada modelů dle specifikace, do 20 kV FIB-SEM Helios (Ga nebo plasma) Helios Axia Phenom II U II I SCI Aktuální modely-Delong instruments TEM LVEM (Delong's low-voltage electron microscopes) • nejmenšíTEM